[发明专利]一种六极混合磁轴承

说明书

本发明公开一种六极混合磁轴承，转子外同轴套有在轴向上对称布置的左定子铁心和右定子铁心，转子左端设有左受力盘、右端设有右受力盘，左定子铁心和右定子铁心的轭部之间叠压有圆环形的永磁体，永磁体轴向充磁，左定子铁心和右定子铁心沿圆周方向各自均布有六个定子磁极，左定子铁心的六个定子磁极与左受力盘在径向上正对，右定子铁心的六个定子磁极与右受力盘在径向上正对，左、右定子铁心中同一个定子铁心上的径向面对面的两个径向控制线圈相串联且缠绕方向相同，左、右定子铁心在轴向相面对的两个径向控制线圈相串联且方向相反；本发明的悬浮力和位移特性以及悬浮力和电流特性都趋于线性，减小了径向两个自由度间的耦合。

技术领域

本发明涉及一种非接触式磁悬浮轴承，简称磁轴承，是一种可以控制径向两自由度和轴向自由度的混合磁轴承，适用于航空航天、核能、风力发电、生物医学、飞轮储能、高速电主轴以及其他工业领域中的各类旋转机械的支承，属于机械和电气传动领域。

背景技术

磁轴承利用电磁力将转子悬浮于空中，使转子与定子间没有机械接触。磁轴承按照控制的自由度数可以分为单自由度磁轴承(轴向磁轴承)、二自由度磁轴承(径向磁轴承)和三自由度磁轴承(径向-轴向磁轴承)。按照磁场的产生的方式可以分为主动磁轴承(磁场全部由线圈电流产生)、被动磁轴承(磁场全部由永磁体产生)和混合磁轴承(磁场由永磁体和线圈电流共同产生)。其中混合磁轴承利用永磁体提供偏置磁通，可以减少线圈匝数、减小功率损耗、减小磁轴承体积及重量。目前大部分磁轴承都采用四极或八极结构，由2路双极性开关功放或者4路单极性开关功放驱动，驱动电路体积大，控制复杂，成本较高。

中国专利申请号为CN200820215847.1的文献中公开了一种径向二自由度外转子混合磁轴承结构，其径向定子为对称布置的八磁极结构，采用双片八极结构来控制径向2个自由度，因此需要4路单极性(或双极性)直流功率放大电路驱动控制，这种八极式结构的径向两个自由度耦合度低，承载力大，重量和体积较大，成本太高，限制了其发展和推广。中国专利申请号为CN200510040066.4的文献中公开的“三自由度交直流径向-轴向混合磁轴承及其控制方法”，采用三相逆变器驱动的三极磁轴承，大大减小了功率放大器体积和磁轴承的成本，但是这种磁轴承存在的问题是：三极结构在空间上的不对称性和三相逆变器三相电流和为零的条件，使径向悬浮力在磁极方向和磁极反方向的最大悬浮力不等，在设计磁轴承时必须使悬浮力最小方向满足承载力要求，这必然导致磁轴承体积的增大；另外，三极不对称结构增加了磁轴承悬浮力与电流、位移之间的非线性，也增强了径向两个自由度之间的耦合性，降低磁轴承的性能；此外，该轴承的轴向自由度由一个直流功率放大器控制，增加了磁轴承体积和成本。中国专利申请号为CN201610971589.9的文献中公开了一种二自由度永磁偏置径向混合磁轴承，采用径向十二级结构，在其两两不相邻的6个定子磁极中镶嵌有永磁体，剩下的6个磁极缠绕控制线圈并构成三相星型结构，该轴承结构紧凑，承载力大，径向两个自由度耦合度低，但是存在的问题是：径向磁极数目过多，预留给控制线圈安放的空间小且不利于散热；此外，由于存在6个非可控的磁极，负位移刚度大，转子一旦偏心很难回到平衡位置，且在高速旋转时该磁轴承的铁心损耗较大。

发明内容

为了克服现有三极径向-轴向混合磁轴承的非线性和耦合问题，并且降低磁轴承的功耗和功率放大器成本，本发明提出一种六极混合磁轴承，采用双片十二极结构，提高空间利用率，减少磁轴承悬浮力与电流、悬浮力与位移间的非线性，降低径向两个自由度间的耦合。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明具有转子，转子外同轴套有在轴向上对称布置的左定子铁心和右定子铁心，转子左端设有左受力盘、右端设有右受力盘，左定子铁心和右定子铁心的轭部之间叠压有圆环形的永磁体，永磁体轴向充磁，左定子铁心和右定子铁心沿圆周方向各自均布有六个定子磁极，每个定子磁极上绕有径向控制线圈，左定子铁心的六个定子磁极与左受力盘在径向上正对，右定子铁心的六个定子磁极与右受力盘在径向上正对，左、右定子铁心中同一个定子铁心上的径向面对面的两个径向控制线圈相串联且缠绕方向相同，左、右定子铁心在轴向相面对的两个径向控制线圈相串联且方向相反。